Neue Studie deckt Ursachen für Batterierisse und Strategien zur Schadensbegrenzung auf

University of Chicago, Pritzker School of Molecular Engineering, Chicago, IL

Jing Wang, ein Postdoktorand, der an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago und dem Argonne National Laboratory arbeitet, ist der Erstautor einer neuen Arbeit, die einige der Grundursachen – und Möglichkeiten zur Abschwächung – der nanoskopischen Spannungen aufdeckt, die zu Rissen in einer immer beliebter werdenden Form von Batterien für Elektrofahrzeuge und andere Technologien führen können. (Bild:John Zich)

Neue Forschungen des Argonne National Laboratory und der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago haben ein großes Batterierätsel gelöst, das zu einer Verschlechterung der Kapazität, einer verkürzten Lebensdauer und in einigen Fällen zu Bränden geführt hat.

In einem in Nature Nanotechnology veröffentlichten Artikel , Forscher haben einige der Hauptursachen – und Möglichkeiten zur Abschwächung – der nanoskopischen Spannungen aufgedeckt, die zu Rissen in einer immer beliebter werdenden Form von Batterien für Elektrofahrzeuge und andere Technologien führen können.

„Die Elektrifizierung der Gesellschaft erfordert den Beitrag aller“, sagte Khalil Amine, einer der entsprechenden Autoren, Argonne Distinguished Fellow und Joint Professor an der University of Chicago. „Wenn die Menschen nicht darauf vertrauen, dass Batterien sicher und langlebig sind, werden sie sich nicht dafür entscheiden, sie zu verwenden.“

Aufgrund der seit langem bestehenden Probleme mit der Rissbildung in Lithium-Ionen-Batterien, deren Kathoden polykristalline Ni-reiche Materialien (PC-NMC) verwenden, haben sich Forscher in den letzten Jahren einkristallinen Ni-reichen Schichtoxiden (SC-NMC) zugewandt. Allerdings zeigten sie nicht immer eine ähnliche oder bessere Leistung als das ältere Modell.

Die neue Forschung, die die Erstautorin Jing Wang während ihrer Doktorarbeit durchgeführt hat. Die gemeinsam von Professor Shirley Mengs Labor für Energiespeicherung und -umwandlung und Amines Team für fortgeschrittene Batterietechnologie betreute Studie deckte das zugrunde liegende Problem auf:Annahmen, die von polykristallinen Kathoden abgeleitet wurden, wurden fälschlicherweise auf einkristalline Materialien angewendet.

„Wenn Menschen versuchen, auf einkristalline Kathoden umzusteigen, folgen sie ähnlichen Designprinzipien wie die polykristallinen Kathoden“, sagte Wang, jetzt Postdoktorand, der an der University of Chicago und Argonne arbeitet. „Unsere Arbeit zeigt, dass sich der Hauptabbaumechanismus der einkristallinen Partikel von dem der polykristallinen unterscheidet, was zu unterschiedlichen Zusammensetzungsanforderungen führt.“

„Es sind nicht nur neue Designstrategien erforderlich, sondern auch unterschiedliche Materialien, damit Einkristall-Kathodenbatterien ihr volles Potenzial entfalten können“, sagte Meng, der auch Direktor der Energy Storage Research Alliance (ESRA) mit Sitz in Argonne ist. „Indem wir besser verstehen, wie sich verschiedene Arten von Kathodenmaterialien zersetzen, können wir dazu beitragen, eine Reihe hochfunktionaler Kathodenmaterialien für den Energiebedarf der Welt zu entwickeln.“

Beim Laden und Entladen einer polykristallinen Kathodenbatterie schwellen und schrumpfen die winzigen, gestapelten Primärpartikel. Diese wiederholte Ausdehnung und Kontraktion kann die Korngrenzen, die die Polykristalle trennen, verbreitern, ähnlich wie durch wiederholtes Einfrieren und Auftauen Schlaglöcher in Stadtstraßen entstehen. „Normalerweise kommt es zu einer Volumenausdehnung oder -schrumpfung von etwa fünf bis zehn Prozent“, sagte Wang. „Sobald eine Ausdehnung oder Schrumpfung die Elastizitätsgrenzen überschreitet, führt dies zur Rissbildung der Partikel.“

Wenn sich die Risse zu stark ausdehnen, kann Elektrolyt eindringen, was zu unerwünschten Nebenreaktionen und der Freisetzung von Sauerstoff führen kann, was Sicherheitsbedenken hervorrufen kann, einschließlich der Gefahr eines thermischen Durchgehens. Aber abgesehen von diesen dramatischen Umständen ist ein eher alltäglicher Effekt die Verschlechterung der Kapazität:Die Batterien werden mit der Zeit schwächer und können zunehmend nicht mehr die gleiche Ladung liefern wie im Neuzustand. Da sie nicht aus vielen gestapelten Kristallen bestehen, weisen einkristalline Kathodenmaterialien nicht diese anfänglichen Korngrenzen auf, waren aber dennoch abbaubar.

„Wir haben gezeigt, dass die Degradation in einkristallinen NMC-Kathoden überwiegend durch einen bestimmten mechanischen Fehlermodus gesteuert wird“, sagte ein weiterer korrespondierender Autor, Tongchao Liu, ein Chemiker bei Argonne. „Durch die Identifizierung dieses bisher unterschätzten Mechanismus stellt diese Arbeit eine direkte Verbindung zwischen der Materialzusammensetzung und den Abbauwegen her und bietet tiefere Einblicke in die Ursprünge des Leistungsabfalls in diesen Materialien.“

Mithilfe von Multiskalen-Synchrotron-Röntgentechniken und einem hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop entdeckten sie, dass die Rissbildung in einkristallinen Kathoden hauptsächlich durch die Reaktionsheterogenität verursacht wird. Die Partikel reagierten unterschiedlich schnell, was zu Spannungen führte, und zwar nicht wie bei polykristallinen Designs zwischen vielen Kristallen, sondern innerhalb eines einzigen.

Polykristalline Kathoden sind ein Balanceakt aus Nickel, Mangan und Kobalt. Kobalt verursacht Risse, wurde jedoch benötigt, um ein anderes Problem zu mildern – die Li/Ni-Störung.

Durch den Bau und Test einer Nickel-Kobalt-Batterie (kein Mangan) und einer Nickel-Mangan-Batterie (kein Kobalt) stellte das Team fest, dass bei Einkristallkathoden das Gegenteil der Fall war. Mangan war mechanisch schädlicher als Kobalt und Kobalt trug tatsächlich dazu bei, dass Batterien länger hielten.

Kobalt ist jedoch teurer als Nickel oder Mangan. Wang sagte, der nächste Schritt des Teams zur Umsetzung dieser Laborinnovation in ein reales Produkt bestehe darin, kostengünstigere Materialien zu finden, die die guten Ergebnisse von Kobalt nachahmen.

„Fortschritte kommen in Zyklen“, sagte Amine. „Sie lösen ein Problem und gehen dann zum nächsten über. Die in diesem Gemeinschaftspapier dargelegten Erkenntnisse werden zukünftigen Forschern helfen, sicherere und langlebigere Materialien für die Batterien von morgen zu entwickeln.“

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Khalil Amine unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.